JPH0878773A - 面発光半導体レーザ - Google Patents
面発光半導体レーザInfo
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- JPH0878773A JPH0878773A JP21155494A JP21155494A JPH0878773A JP H0878773 A JPH0878773 A JP H0878773A JP 21155494 A JP21155494 A JP 21155494A JP 21155494 A JP21155494 A JP 21155494A JP H0878773 A JPH0878773 A JP H0878773A
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- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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- H01S5/18369—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors based on dielectric materials
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- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/3206—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures ordering or disordering the natural superlattice in ternary or quaternary materials
- H01S5/3209—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures ordering or disordering the natural superlattice in ternary or quaternary materials disordered active layer
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】１．０μｍよりも大きな発振波長帯の発光半導
体レーザに関し、歩留り、発光効率を良くすること。 【構成】三元混晶半導体層１の上に形成され、該半導体
基板１に格子整合する半導体多層膜よりなる第一の分布
反射ミラー４と、前記第一の分布反射ミラー４の上に形
成された第一のクラッド層５と、前記第一のクラッド層
５の上方に形成された歪量子井戸構造の活性層７と、前
記活性層７の上方に形成される第二のクラッド層９と、
前記第二のクラッド層９の上に形成された半導体多層膜
又は誘電体多層膜よりなる第二の分布反射ミラー１６と
を含む。
体レーザに関し、歩留り、発光効率を良くすること。 【構成】三元混晶半導体層１の上に形成され、該半導体
基板１に格子整合する半導体多層膜よりなる第一の分布
反射ミラー４と、前記第一の分布反射ミラー４の上に形
成された第一のクラッド層５と、前記第一のクラッド層
５の上方に形成された歪量子井戸構造の活性層７と、前
記活性層７の上方に形成される第二のクラッド層９と、
前記第二のクラッド層９の上に形成された半導体多層膜
又は誘電体多層膜よりなる第二の分布反射ミラー１６と
を含む。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、面発光半導体レーザに
関し、より詳しくは、発振波長が１．０μｍよりも大き
な面発光半導体レーザに関する。従来の面発光レーザで
は、発振波長０．８μｍ帯或いは０．９８μｍ帯ではす
でに高性能のものが実現されており、それよりも波長の
長い領域のレーザの開発が進められている。
関し、より詳しくは、発振波長が１．０μｍよりも大き
な面発光半導体レーザに関する。従来の面発光レーザで
は、発振波長０．８μｍ帯或いは０．９８μｍ帯ではす
でに高性能のものが実現されており、それよりも波長の
長い領域のレーザの開発が進められている。
【０００２】特に、波長１．３μｍ帯で高性能の面発光
半導体レーザでは、接合電圧が低くなるため半導体集
積回路により低電圧で直接駆動でき、光通信に適した
波長であり、面発光であるため細いビームを発振でき
光ファイバとの結合が容易である等の数々の利点をも
つ。
半導体レーザでは、接合電圧が低くなるため半導体集
積回路により低電圧で直接駆動でき、光通信に適した
波長であり、面発光であるため細いビームを発振でき
光ファイバとの結合が容易である等の数々の利点をも
つ。
【０００３】
【従来の技術】従来、波長１．３μｍ帯の素子は、InP
基板の上に作製が試みられている。この場合、歪み量子
井戸構造を採用し、その構成材料としては、InP 基板と
の格子整合を考慮して、井戸層にはInP に対し格子定数
が±２％ずれたInGaAsもしくはInGaAsP を用い、バリア
層にはInP と格子定数が一致したInGaAsP を用いる。
基板の上に作製が試みられている。この場合、歪み量子
井戸構造を採用し、その構成材料としては、InP 基板と
の格子整合を考慮して、井戸層にはInP に対し格子定数
が±２％ずれたInGaAsもしくはInGaAsP を用い、バリア
層にはInP と格子定数が一致したInGaAsP を用いる。
【０００４】面発光半導体レーザにおいて、低閾値電流
を達成するために有効な方法として反射膜の高反射率
化により損失を少なくする方法や、電流狭窄による活
性層断面積の微小化により電流注入効率を良くする方法
があり、通常はこれらを併用することによって高性能化
をはかっている。特に、高反射率化を実現する方法とし
ては、半導体もしくは誘電体の多層膜により構成される
分布反射膜（ＤＢＲ）ミラーを共振器端に設ける方法が
用いられている。この場合に電流注入が分布反射ミラー
を通して行われる場合には、分布反射ミラーとして抵抗
の少ない半導体結晶が用いられている。
を達成するために有効な方法として反射膜の高反射率
化により損失を少なくする方法や、電流狭窄による活
性層断面積の微小化により電流注入効率を良くする方法
があり、通常はこれらを併用することによって高性能化
をはかっている。特に、高反射率化を実現する方法とし
ては、半導体もしくは誘電体の多層膜により構成される
分布反射膜（ＤＢＲ）ミラーを共振器端に設ける方法が
用いられている。この場合に電流注入が分布反射ミラー
を通して行われる場合には、分布反射ミラーとして抵抗
の少ない半導体結晶が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、面発光半導体
レーザの構成材料として上記した材料を用いると、エネ
ルギー障壁に対する量子井戸の深さは浅くなるので、活
性層の利得が低く、温度特性も悪いという問題がある。
また、InP に格子整合する半導体結晶よりなる多層構造
のＤＢＲミラーを作製すると、高反射率を得るためには
分布反射型（ＤＢＲ）ミラーの層数を多くしなければな
らず、損失が少なく且つ反射率が高いＤＢＲミラーを作
ることができなかった。しかも成長層数が多いのでスル
ープットや歩留りが低下するという不都合がある。
レーザの構成材料として上記した材料を用いると、エネ
ルギー障壁に対する量子井戸の深さは浅くなるので、活
性層の利得が低く、温度特性も悪いという問題がある。
また、InP に格子整合する半導体結晶よりなる多層構造
のＤＢＲミラーを作製すると、高反射率を得るためには
分布反射型（ＤＢＲ）ミラーの層数を多くしなければな
らず、損失が少なく且つ反射率が高いＤＢＲミラーを作
ることができなかった。しかも成長層数が多いのでスル
ープットや歩留りが低下するという不都合がある。
【０００６】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、歩留り、発光効率を向上できる面発光半
導体レーザを提供することを目的とする。
ものであって、歩留り、発光効率を向上できる面発光半
導体レーザを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記した課題は、図３
(b) 、図５に例示するように、三元混晶半導体層１，２
４の上に形成され、該三元混晶半導体層１，２４に格子
整合する半導体多層膜よりなる第一の分布反射ミラー４
と、前記第一の分布反射ミラー４の上に形成された第一
のクラッド層５と、前記第一のクラッド層５の上方に形
成された歪量子井戸構造の活性層７と、前記活性層７の
上方に形成される第二のクラッド層９と、前記第二のク
ラッド層９の上に形成された半導体多層膜又は誘電体多
層膜よりなる第二の分布反射ミラー１６とを有すること
を特徴とする面発光半導体レーザにより解決する。
(b) 、図５に例示するように、三元混晶半導体層１，２
４の上に形成され、該三元混晶半導体層１，２４に格子
整合する半導体多層膜よりなる第一の分布反射ミラー４
と、前記第一の分布反射ミラー４の上に形成された第一
のクラッド層５と、前記第一のクラッド層５の上方に形
成された歪量子井戸構造の活性層７と、前記活性層７の
上方に形成される第二のクラッド層９と、前記第二のク
ラッド層９の上に形成された半導体多層膜又は誘電体多
層膜よりなる第二の分布反射ミラー１６とを有すること
を特徴とする面発光半導体レーザにより解決する。
【０００８】前記第二のクラッド層９と第二の分布反射
ミラー１６の間には、前記活性層７及び前記第二のクラ
ッド層９よりも禁制帯幅の大きな半導体材料よりなる電
流狭窄層１０と、該電流狭窄層１０の開口部１２の内部
と該電流狭窄層１０の上に形成された第三のクラッド層
１３とが形成されていることを特徴とする面発光半導体
レーザにより解決する。
ミラー１６の間には、前記活性層７及び前記第二のクラ
ッド層９よりも禁制帯幅の大きな半導体材料よりなる電
流狭窄層１０と、該電流狭窄層１０の開口部１２の内部
と該電流狭窄層１０の上に形成された第三のクラッド層
１３とが形成されていることを特徴とする面発光半導体
レーザにより解決する。
【０００９】前記活性層７は、前記三元混晶半導体層と
格子定数が−２％〜＋２％ずれたInGaAsもしくはInGaAs
P 、又は材料の異なる単原子層を交互に複数層重ねた短
周期超格子のいずれかから構成されていることを特徴と
する面発光半導体レーザにより解決する。前記三元混晶
半導体層２４は、GaAsとInAsの中間の格子定数を有する
InGaAsから構成されることを特徴とする面発光半導体レ
ーザによって解決する。また、前記InGaAsからなる前記
三元混晶半導体層２４は、図５に例示するように、GaAs
基板の上に形成され、且つ厚さが増すにつれてGaAsから
InGaAsへと組成が変化する緩和層２３を介して該GaAs基
板の上に形成されていることを特徴とする面発光半導体
レーザにより解決する。
格子定数が−２％〜＋２％ずれたInGaAsもしくはInGaAs
P 、又は材料の異なる単原子層を交互に複数層重ねた短
周期超格子のいずれかから構成されていることを特徴と
する面発光半導体レーザにより解決する。前記三元混晶
半導体層２４は、GaAsとInAsの中間の格子定数を有する
InGaAsから構成されることを特徴とする面発光半導体レ
ーザによって解決する。また、前記InGaAsからなる前記
三元混晶半導体層２４は、図５に例示するように、GaAs
基板の上に形成され、且つ厚さが増すにつれてGaAsから
InGaAsへと組成が変化する緩和層２３を介して該GaAs基
板の上に形成されていることを特徴とする面発光半導体
レーザにより解決する。
【００１０】少なくとも前記第一の分布反射ミラーは、
In0.274Ga0.726As0.972P0.028 とIn 0.26Al0.74Asを交互
に複数層形成した多層構造を有することを特徴とする面
発光半導体レーザにより解決する。
In0.274Ga0.726As0.972P0.028 とIn 0.26Al0.74Asを交互
に複数層形成した多層構造を有することを特徴とする面
発光半導体レーザにより解決する。
【００１１】
【作 用】本発明によれば、面発光半導体レーザを形成
するための下地として三元混晶半導体層を用いている。
これによれば、活性層を構成する量子井戸層とバリア層
の材料の選択範囲が広くなり、従来に比べて活性層を構
成する井戸が深くなる。また、面発光半導体レーザに設
けられるＤＢＲミラーを構成する異種の半導体層の屈折
率差が大きくなる材料の選択範囲も広くなり、ＤＢＲミ
ラーは高反射率となる。
するための下地として三元混晶半導体層を用いている。
これによれば、活性層を構成する量子井戸層とバリア層
の材料の選択範囲が広くなり、従来に比べて活性層を構
成する井戸が深くなる。また、面発光半導体レーザに設
けられるＤＢＲミラーを構成する異種の半導体層の屈折
率差が大きくなる材料の選択範囲も広くなり、ＤＢＲミ
ラーは高反射率となる。
【００１２】また、活性層の上に電流狭窄層を形成して
いるので、電流の注入効率が大きくなって低閾値電流が
達成される。さらに、短周期超格子構造を採用している
ので、大きな歪みの量子井戸が実現され、下地となる半
導体層の材料の選択幅をさらに広げ、高反射率のＤＢＲ
ミラーが実現される。
いるので、電流の注入効率が大きくなって低閾値電流が
達成される。さらに、短周期超格子構造を採用している
ので、大きな歪みの量子井戸が実現され、下地となる半
導体層の材料の選択幅をさらに広げ、高反射率のＤＢＲ
ミラーが実現される。
【００１３】三元混晶半導体層を、緩和層を介して基板
の上に形成しているので、その基板として入手が容易な
二元混晶基板を使用することにより、ＤＢＲミラーを有
する面発光半導体レーザの量産性に向き、しかも価格的
な面からも有利となる。
の上に形成しているので、その基板として入手が容易な
二元混晶基板を使用することにより、ＤＢＲミラーを有
する面発光半導体レーザの量産性に向き、しかも価格的
な面からも有利となる。
【００１４】
【実施例】本発明は、量子井戸のポテンシャルを深くす
るためには、結晶成長の基板或いは下地となる材料とし
て３元結晶、例えばInGaAsを用いるという新たな発想を
ベースにしたものである。面発光半導体レーザの温度特
性を向上し、利得を大きくするためには、活性層に使用
される量子井戸のポテンシャルを深くする必要がある。
また、量子井戸のポテンシャルを深くするためには、そ
の周囲のエネルギー障壁のポテンシャルを量子井戸に対
して相対的に高くすればよい。また、ＤＢＲミラーの反
射率を大きくするためには、ＤＢＲミラーを構成する異
種の半導体層の屈折率差を大きくする必要がある。
るためには、結晶成長の基板或いは下地となる材料とし
て３元結晶、例えばInGaAsを用いるという新たな発想を
ベースにしたものである。面発光半導体レーザの温度特
性を向上し、利得を大きくするためには、活性層に使用
される量子井戸のポテンシャルを深くする必要がある。
また、量子井戸のポテンシャルを深くするためには、そ
の周囲のエネルギー障壁のポテンシャルを量子井戸に対
して相対的に高くすればよい。また、ＤＢＲミラーの反
射率を大きくするためには、ＤＢＲミラーを構成する異
種の半導体層の屈折率差を大きくする必要がある。
【００１５】しかし、InP 基板を使用する従来の装置で
は、格子定数の関係から活性層、バリア層及びＤＢＲミ
ラーとして選択可能な材料が制限される。例えば、図１
のIII-Ｖ族半導体の格子定数とエネルギーギャップの関
係から次のことがわかる。本発明では、３元混晶の半導
体を基板材料として使用することにより井戸層、バリア
層、ミラー等の材料の選択の幅を広げ、最適なバンドギ
ャップとなるヘテロ接合材料を選択する。これにより、
高い利得で温度特性の優れた活性領域と、反射率の高い
ミラーが形成される。
は、格子定数の関係から活性層、バリア層及びＤＢＲミ
ラーとして選択可能な材料が制限される。例えば、図１
のIII-Ｖ族半導体の格子定数とエネルギーギャップの関
係から次のことがわかる。本発明では、３元混晶の半導
体を基板材料として使用することにより井戸層、バリア
層、ミラー等の材料の選択の幅を広げ、最適なバンドギ
ャップとなるヘテロ接合材料を選択する。これにより、
高い利得で温度特性の優れた活性領域と、反射率の高い
ミラーが形成される。
【００１６】また、通常の歪量子井戸の替わりに材料の
異なる単原子層を交互に複数層重ねた短周期超格子構造
を採用すると、大きな歪の量子井戸が実現するので、In
x Ga 1-x As基板の格子定数をさらに小さい方向、即ち、
GaAs組成を大きいする方向にシフトさせてもよくなる。
これによって、さらに高い反射率のミラーの形成が可能
になる。なお、図１において、GaAsとInAsを結ぶ線がIn
x Ga1-x Asとなり、組成比ｘは０＜ｘ＜１の関係にあ
る。
異なる単原子層を交互に複数層重ねた短周期超格子構造
を採用すると、大きな歪の量子井戸が実現するので、In
x Ga 1-x As基板の格子定数をさらに小さい方向、即ち、
GaAs組成を大きいする方向にシフトさせてもよくなる。
これによって、さらに高い反射率のミラーの形成が可能
になる。なお、図１において、GaAsとInAsを結ぶ線がIn
x Ga1-x Asとなり、組成比ｘは０＜ｘ＜１の関係にあ
る。
【００１７】例えば１．３μｍの波長で発振する面発光
半導体レーザを形成する場合に、In 0.26Ga0.74As基板を
使用し、その上に基板とのエネルギーバンドギャップ差
が１．０eVのInAlAsを格子整合して形成すると、その上
に屈折率ステップが大きくて層数の少ない高反射率のＤ
ＢＲミラーを形成することが可能である。これは、エネ
ルギーバンドギャップの差が大きいほど屈折率の差も大
きくなるからである。
半導体レーザを形成する場合に、In 0.26Ga0.74As基板を
使用し、その上に基板とのエネルギーバンドギャップ差
が１．０eVのInAlAsを格子整合して形成すると、その上
に屈折率ステップが大きくて層数の少ない高反射率のＤ
ＢＲミラーを形成することが可能である。これは、エネ
ルギーバンドギャップの差が大きいほど屈折率の差も大
きくなるからである。
【００１８】これに対して、InP 基板の上に１．３μｍ
の光を吸収しない材料、例えばバンドギャップが１．０
８eV（λ＝１．１５μｍ）の材料を積層しても、InP と
のバンドギャップ差は０．２５eVであり、またInP に格
子整合するInAlAsを用いてもInP とのバンドギャップ差
は０．４eV程度であり、そのような材料を使用してInP
基板の上に高反射率のＤＢＲミラーを形成するために
は、層数を増やす必要がある。
の光を吸収しない材料、例えばバンドギャップが１．０
８eV（λ＝１．１５μｍ）の材料を積層しても、InP と
のバンドギャップ差は０．２５eVであり、またInP に格
子整合するInAlAsを用いてもInP とのバンドギャップ差
は０．４eV程度であり、そのような材料を使用してInP
基板の上に高反射率のＤＢＲミラーを形成するために
は、層数を増やす必要がある。
【００１９】以下に実施例を図面に基づいて説明する。 （第１実施例）図２、３は、本発明の第１実施例の面発
光半導体レーザの製造工程を示す断面図である。この例
では、シリコンドープのキャリヤ濃度２×1018cm-3のｎ
型のIn0.26Ga0. 74As基板１を用いて面発光半導体レーザ
を形成する。In0.26Ga0.74As基板１は三元のバルク結晶
から切り出して形成される。
光半導体レーザの製造工程を示す断面図である。この例
では、シリコンドープのキャリヤ濃度２×1018cm-3のｎ
型のIn0.26Ga0. 74As基板１を用いて面発光半導体レーザ
を形成する。In0.26Ga0.74As基板１は三元のバルク結晶
から切り出して形成される。
【００２０】まず、図２(a) に示すように、有機金属気
相成長法によってIn0.26Ga0.74As基板１の上にｎ型In
0.26Al0.74As層２を９３．４nm、ｎ型In0.274Ga0.726As
0.972P 0.028 層３を１０．８nmの厚さに積層して１ペア
とし、これらを繰り返して２０ペア成膜し、これにより
ＤＢＲミラー４を形成する。この場合、ｎ型In0.26Al0.
74As層２とｎ型In0.274Ga0.726As0.972P0.028 層３のそ
れぞれのキャリヤ濃度を５×１０17cm-3とする。なお、
In0.26Al0.74Asの屈折率は３．００１で、In0.27 4Ga
0.726As0.972P0.028 の屈折率は３．４７８であり、In
0.274Ga0.726As0.972P 0.028 の組成波長は１．１５μｍ
である。
相成長法によってIn0.26Ga0.74As基板１の上にｎ型In
0.26Al0.74As層２を９３．４nm、ｎ型In0.274Ga0.726As
0.972P 0.028 層３を１０．８nmの厚さに積層して１ペア
とし、これらを繰り返して２０ペア成膜し、これにより
ＤＢＲミラー４を形成する。この場合、ｎ型In0.26Al0.
74As層２とｎ型In0.274Ga0.726As0.972P0.028 層３のそ
れぞれのキャリヤ濃度を５×１０17cm-3とする。なお、
In0.26Al0.74Asの屈折率は３．００１で、In0.27 4Ga
0.726As0.972P0.028 の屈折率は３．４７８であり、In
0.274Ga0.726As0.972P 0.028 の組成波長は１．１５μｍ
である。
【００２１】ついで、図２(b) に示すように、シリコン
ドープのキャリヤ濃度２×1018cm-3のIn0.736Ga0.264P
よりなるｎ型のクラッド層５を１７５nmの厚さに形成
し、続いてIn0.736Ga0.264As0.078P0.922 よりなるノン
ドープのバリア層６を５０nmの厚さに形成する。また、
バリア層６の上にノンドープのGaAs単原子層とInAs単原
子層を交互に複数重ねた短周期超格子からなる歪量子井
戸活性層７を８nmの厚さに形成する。
ドープのキャリヤ濃度２×1018cm-3のIn0.736Ga0.264P
よりなるｎ型のクラッド層５を１７５nmの厚さに形成
し、続いてIn0.736Ga0.264As0.078P0.922 よりなるノン
ドープのバリア層６を５０nmの厚さに形成する。また、
バリア層６の上にノンドープのGaAs単原子層とInAs単原
子層を交互に複数重ねた短周期超格子からなる歪量子井
戸活性層７を８nmの厚さに形成する。
【００２２】さらに、歪量子井戸活性層７の上にIn
0.736Ga0.264As0.078P0.922 よりなるノンドープのバリ
ア層８を５０nm、In0.736Ga0.264P よりなるｐ型のクラ
ッド層９を１７５nmの厚さにそれぞれ積層する。クラッ
ド層９には、キャリヤ濃度３×１０18cm-3で亜鉛を含有
させる。続いて、ｐ型クラッド層９の上に、シリコンを
２×１０18cm-3の濃度で含むInAlAsよりなる電流狭窄層
１０を２００nmの厚さに形成する。
0.736Ga0.264As0.078P0.922 よりなるノンドープのバリ
ア層８を５０nm、In0.736Ga0.264P よりなるｐ型のクラ
ッド層９を１７５nmの厚さにそれぞれ積層する。クラッ
ド層９には、キャリヤ濃度３×１０18cm-3で亜鉛を含有
させる。続いて、ｐ型クラッド層９の上に、シリコンを
２×１０18cm-3の濃度で含むInAlAsよりなる電流狭窄層
１０を２００nmの厚さに形成する。
【００２３】次に、図２(c) に示すように、レジストよ
りなるマスク１１を使用し、電流狭窄層１０をパターニ
ングし、電流注入路となる開口部１２を形成する。この
場合に、ｐ型のクラッド層９に対するエッチングレート
が小さいエッチング液、即ちフッ酸、過酸化水素、水と
の混合液を使用して、開口部１２を形成した後に制御性
良くエッチングを停止させる。
りなるマスク１１を使用し、電流狭窄層１０をパターニ
ングし、電流注入路となる開口部１２を形成する。この
場合に、ｐ型のクラッド層９に対するエッチングレート
が小さいエッチング液、即ちフッ酸、過酸化水素、水と
の混合液を使用して、開口部１２を形成した後に制御性
良くエッチングを停止させる。
【００２４】この後に、図３(a) に示すように、開口部
１２から表出したｐ型クラッド層９と電流狭窄層１０の
上に、キャリヤ濃度３×1018cm-3となるようにZnがドー
プされたｐ型のIn0.73Ga0.27P よりなる二層目のｐ型ク
ラッド層１３を成長する。この場合、開口部１２内のｐ
型クラッド層１３の厚さを４００nmとする。以上の層構
造によれば、ｎ型クラッド層５から最上のｐ型クラッド
１３までの全体の厚さが半波長λ／２の整数（Ｎ）倍と
なり、また、歪量子井戸活性層７の膜厚方向の中央位置
は、ｎ型クラッド層１３の下面からλ／２の整数Ｍ（Ｍ
＜Ｎ）倍となり、これにより光定在波の振幅が歪量子井
戸活性層７において最も大きくなり、光の最も強いとこ
ろに歪量子井戸活性層７が位置することになる。
１２から表出したｐ型クラッド層９と電流狭窄層１０の
上に、キャリヤ濃度３×1018cm-3となるようにZnがドー
プされたｐ型のIn0.73Ga0.27P よりなる二層目のｐ型ク
ラッド層１３を成長する。この場合、開口部１２内のｐ
型クラッド層１３の厚さを４００nmとする。以上の層構
造によれば、ｎ型クラッド層５から最上のｐ型クラッド
１３までの全体の厚さが半波長λ／２の整数（Ｎ）倍と
なり、また、歪量子井戸活性層７の膜厚方向の中央位置
は、ｎ型クラッド層１３の下面からλ／２の整数Ｍ（Ｍ
＜Ｎ）倍となり、これにより光定在波の振幅が歪量子井
戸活性層７において最も大きくなり、光の最も強いとこ
ろに歪量子井戸活性層７が位置することになる。
【００２５】これに引き続いて、ｐ型In0.26Al0.74As層
１４を１０９nm、ｐ型In0.274Ga0.7 26As0.972P0.028 層
１５を９４nmの厚さに成長し、これらを交互に２０ペア
繰り返し積層して上側の半導体ＤＢＲミラー１６を形成
する。それらの層には、亜鉛を３×１０18cm-3の濃度で
含有させる。In0.26Al0.74As層１４とIn0.274Ga0.726As
0.972P0.028 層１５とのバンドギャップ差は０．５eV程
度となる。なお、InAlAsは酸化され易いので、最上層は
ｐ型In0.274Ga0.726As0.972P0.028 層１５とする。
１４を１０９nm、ｐ型In0.274Ga0.7 26As0.972P0.028 層
１５を９４nmの厚さに成長し、これらを交互に２０ペア
繰り返し積層して上側の半導体ＤＢＲミラー１６を形成
する。それらの層には、亜鉛を３×１０18cm-3の濃度で
含有させる。In0.26Al0.74As層１４とIn0.274Ga0.726As
0.972P0.028 層１５とのバンドギャップ差は０．５eV程
度となる。なお、InAlAsは酸化され易いので、最上層は
ｐ型In0.274Ga0.726As0.972P0.028 層１５とする。
【００２６】次に、図示しないレジストをマスクにし
て、図３(b) に示すように、ＲＩＥ等のドライエッチン
グ法により上側のＤＦＢミラー１６をパターニングし
て、開口部１２の直上とその僅かな周辺にのみ残させ
る。この場合、エッチャントとして塩素系のガスを使用
する。これに続いて、開口部１２の下方位置に穴１８を
設けた環状のAuGe／Auよりなるｎ側電極１７をIn0.26Ga
0.74As基板１の下面に形成する。また、孔１８の中には
Si3N4 の無反射コート膜２０を形成する。さらに、上側
のＤＢＲミラー１６の周囲のｐ型のIn0.73Ga0.27P 層１
３の上にTi／Pt／Auの三層状の金属膜を形成し、これを
パターニングしてＤＢＲミラー１６の周囲にｐ側電極１
９を形成する。
て、図３(b) に示すように、ＲＩＥ等のドライエッチン
グ法により上側のＤＦＢミラー１６をパターニングし
て、開口部１２の直上とその僅かな周辺にのみ残させ
る。この場合、エッチャントとして塩素系のガスを使用
する。これに続いて、開口部１２の下方位置に穴１８を
設けた環状のAuGe／Auよりなるｎ側電極１７をIn0.26Ga
0.74As基板１の下面に形成する。また、孔１８の中には
Si3N4 の無反射コート膜２０を形成する。さらに、上側
のＤＢＲミラー１６の周囲のｐ型のIn0.73Ga0.27P 層１
３の上にTi／Pt／Auの三層状の金属膜を形成し、これを
パターニングしてＤＢＲミラー１６の周囲にｐ側電極１
９を形成する。
【００２７】これにより、面発光半導体レーザが完成す
る。その共振器は、電流狭窄層１０によって囲まれた開
口部１２の膜厚方向の半導体層によって構成される。以
上のような面発光半導体レーザを駆動する場合には、ｐ
側電極１９からｎ側電極１７に向けて電流を流して発振
させ、ｎ型電極１７の穴１８内の無反射コート膜２０を
通して光を放出させる。この場合、電流狭窄層１０を構
成するInAlAsは、その周囲のｐ型クラッド層９を構成す
るIn0.736Ga0.264P よりも禁制帯幅（エネルギーバンド
ギャップ）の大きな材料であってエネルギーバリア層と
なり、しかも電流通路に開口部１２を形成している。こ
のため、ｐ側電極１９から注入された電流は、電流狭窄
層１０により狭窄されて開口部１２を通って流れるの
で、低閾値電流が達成できる。しかも、電流狭窄層１０
をｎ型とし、その上のクラッド層９，１３をｐ型として
いるので、ｐｎｐ接合による電流狭窄の効果が加わり、
ｐ型電極１７から流れる電流が縦型共振器に集中する効
果が高くなる。
る。その共振器は、電流狭窄層１０によって囲まれた開
口部１２の膜厚方向の半導体層によって構成される。以
上のような面発光半導体レーザを駆動する場合には、ｐ
側電極１９からｎ側電極１７に向けて電流を流して発振
させ、ｎ型電極１７の穴１８内の無反射コート膜２０を
通して光を放出させる。この場合、電流狭窄層１０を構
成するInAlAsは、その周囲のｐ型クラッド層９を構成す
るIn0.736Ga0.264P よりも禁制帯幅（エネルギーバンド
ギャップ）の大きな材料であってエネルギーバリア層と
なり、しかも電流通路に開口部１２を形成している。こ
のため、ｐ側電極１９から注入された電流は、電流狭窄
層１０により狭窄されて開口部１２を通って流れるの
で、低閾値電流が達成できる。しかも、電流狭窄層１０
をｎ型とし、その上のクラッド層９，１３をｐ型として
いるので、ｐｎｐ接合による電流狭窄の効果が加わり、
ｐ型電極１７から流れる電流が縦型共振器に集中する効
果が高くなる。
【００２８】しかも、電流狭窄層１０の屈折率は上記し
た組成のクラッド層９，１３の屈折率よりも大きいの
で、開口部１２内とその上下にある層によって構成され
る縦型共振器の共振器長は、電流狭窄層１０とその上下
の層で構成される寄生的な共振器の共振器長よりも実効
的に短くなる。この結果、電流狭窄層１０により囲まれ
た領域にある縦型共振器の発振が容易になり、発振が安
定化する。その発振波長は、上記した構成によれば、
１．３１μｍとなる。
た組成のクラッド層９，１３の屈折率よりも大きいの
で、開口部１２内とその上下にある層によって構成され
る縦型共振器の共振器長は、電流狭窄層１０とその上下
の層で構成される寄生的な共振器の共振器長よりも実効
的に短くなる。この結果、電流狭窄層１０により囲まれ
た領域にある縦型共振器の発振が容易になり、発振が安
定化する。その発振波長は、上記した構成によれば、
１．３１μｍとなる。
【００２９】ところで、半導体レーザの発振波長をλ0
とすると、半導体層の中を進む光の波長λはλ＝λ0 ／
ｎ（ｎ：半導体層の屈折率）となり、ＤＢＲミラー４，
１６を構成するｎ型In0.26Al0.74As層２とｎ型In0.274G
a0.726As0.972P0.028 GaAs層３の膜厚をそれぞれλ／４
とすれば、１ペアの周期がλ／２となり、ＤＢＲミラー
４，１６により波長λの定在波が形成される。
とすると、半導体層の中を進む光の波長λはλ＝λ0 ／
ｎ（ｎ：半導体層の屈折率）となり、ＤＢＲミラー４，
１６を構成するｎ型In0.26Al0.74As層２とｎ型In0.274G
a0.726As0.972P0.028 GaAs層３の膜厚をそれぞれλ／４
とすれば、１ペアの周期がλ／２となり、ＤＢＲミラー
４，１６により波長λの定在波が形成される。
【００３０】したがって、上記した膜厚のＤＢＲミラー
４，１６は、１．３１nmの波長選択性を有することにな
る。また、In0.274Ga0.726As0.972P0.028 とIn0.26Al
0.74AsからなるＤＢＲミラー４，１６は、In0.26Ga0.74
As基板１に格子整合し、２０ペアで９９．１８％の反射
率が得られる。ＤＢＲミラー４，１６の厚さは、１ペア
の厚みを０．２０３μｍとした場合に２０ペアで４．４
１μｍの厚さとなる。
４，１６は、１．３１nmの波長選択性を有することにな
る。また、In0.274Ga0.726As0.972P0.028 とIn0.26Al
0.74AsからなるＤＢＲミラー４，１６は、In0.26Ga0.74
As基板１に格子整合し、２０ペアで９９．１８％の反射
率が得られる。ＤＢＲミラー４，１６の厚さは、１ペア
の厚みを０．２０３μｍとした場合に２０ペアで４．４
１μｍの厚さとなる。
【００３１】これに対して、先行技術のようにInP 基板
の上に形成されたIn0.274Ga0.726As 0.972P0.028 とIn
0.26Al0.74AsのペアからなるＤＢＲミラーは、それらの
ペア数を６０とした場合に始めて９９．０１％となる。
その１ペアの厚さは０．１９９μｍであり、In0.274Ga
0.726As0.972P0.028 の組成波長は１．１５μｍであ
る。面発光半導体レーザでは、共振器の高いＱを得るた
めに少なくとも９９％以上の高い反射率が必要であり、
InP 基板上の６０ペアは作製上非現実である。InP基板
上のＤＢＲミラーの厚さは６０ペアで１２μｍの厚みに
なり、損失が大きくなる。
の上に形成されたIn0.274Ga0.726As 0.972P0.028 とIn
0.26Al0.74AsのペアからなるＤＢＲミラーは、それらの
ペア数を６０とした場合に始めて９９．０１％となる。
その１ペアの厚さは０．１９９μｍであり、In0.274Ga
0.726As0.972P0.028 の組成波長は１．１５μｍであ
る。面発光半導体レーザでは、共振器の高いＱを得るた
めに少なくとも９９％以上の高い反射率が必要であり、
InP 基板上の６０ペアは作製上非現実である。InP基板
上のＤＢＲミラーの厚さは６０ペアで１２μｍの厚みに
なり、損失が大きくなる。
【００３２】従って、本発明のように三元基板を使用し
た方が、ＤＢＲミラーを構成する２種の材料のバンドギ
ャップ差を大きくしてペア数を少なくすることが可能に
なり、ミラーの厚みが減ることにより、放出される光の
損失が小さくなる。なお、上記した歪量子井戸活性層７
は、多重量子井戸によって構成しているが、単一量子井
戸としてもよい。その場合の井戸層の組成の一例は、In
0.46Ga0.54Asである。また、上記したＤＢＲミラー４，
１６の層数は、必ずしも２０ペアに限るものではなく、
所望の反射率に応じたペア数にしてもよい。 （第２実施例）上記した実施例では、GaAs基板１から遠
い側のＤＢＲミラー１６の周囲にｐ電極１７電極を設け
ているが、図４に示すように、ＤＢＲミラー１６をパタ
ーニングせずにその上に直接ｐ電極２１を形成してもよ
い。この場合、ｐ電極２１とｎ電極１９の間の抵抗がＤ
ＢＲミラー１６によって高くなるが、製造工程が簡単に
なるという利点がある。
た方が、ＤＢＲミラーを構成する２種の材料のバンドギ
ャップ差を大きくしてペア数を少なくすることが可能に
なり、ミラーの厚みが減ることにより、放出される光の
損失が小さくなる。なお、上記した歪量子井戸活性層７
は、多重量子井戸によって構成しているが、単一量子井
戸としてもよい。その場合の井戸層の組成の一例は、In
0.46Ga0.54Asである。また、上記したＤＢＲミラー４，
１６の層数は、必ずしも２０ペアに限るものではなく、
所望の反射率に応じたペア数にしてもよい。 （第２実施例）上記した実施例では、GaAs基板１から遠
い側のＤＢＲミラー１６の周囲にｐ電極１７電極を設け
ているが、図４に示すように、ＤＢＲミラー１６をパタ
ーニングせずにその上に直接ｐ電極２１を形成してもよ
い。この場合、ｐ電極２１とｎ電極１９の間の抵抗がＤ
ＢＲミラー１６によって高くなるが、製造工程が簡単に
なるという利点がある。
【００３３】なお、図４において、図２、３と同じ符号
は同じ要素を示している。 （第３実施例）上記した実施例では、In0.26Ga0.74As基
板１を使用して、その上に形成される歪量子井戸活性層
７、バリア層６，８、クラッド層５，９、ＤＢＲミラー
４，１６等の材料の選択幅を広げて歪量子井戸活性層の
ポテンシャル井戸を深くするとともに、高反射率のＤＢ
Ｒミラーを薄層化している。
は同じ要素を示している。 （第３実施例）上記した実施例では、In0.26Ga0.74As基
板１を使用して、その上に形成される歪量子井戸活性層
７、バリア層６，８、クラッド層５，９、ＤＢＲミラー
４，１６等の材料の選択幅を広げて歪量子井戸活性層の
ポテンシャル井戸を深くするとともに、高反射率のＤＢ
Ｒミラーを薄層化している。
【００３４】この場合、ｎ型クラッド層の下地となる半
導体層は、必ずしも三元混晶基板である必要はなく三元
混晶層であってもよい。また、三元基板のInの組成比は
０．２６に限るものではなく、歪量子井戸の発光波長が
歪量−２％〜＋２％以内で所望の波長に設定できるよう
な組成であればよい。例えば、図５に示すように、GaAs
基板２２を使用してその上に緩和層２３を介してIn0.26
Ga0.74As層２４を成長し、そのIn0.26Ga0.74As層２４上
に第１例で示したＤＢＲミラー４，１６、クラッド層
５，９、バリア層６，８、歪量子井戸活性層７、電流狭
窄層１０等を形成してもよい。なお、緩和層２３はInx
Ga1-x Asから構成され、その組成比ｘは、GaAs基板２２
表面を基準として０から０．２６へと段階的又は線形的
にIn0.26Ga0.74As層の下面まで変化させる。このように
化合物半導体基板として多用されているGaAs基板は入手
が容易であって、GaAs基板を使用することは上記したＤ
ＢＲミラーを有する面発光半導体レーザの量産性に向
き、しかも価格的な面からも有利である。
導体層は、必ずしも三元混晶基板である必要はなく三元
混晶層であってもよい。また、三元基板のInの組成比は
０．２６に限るものではなく、歪量子井戸の発光波長が
歪量−２％〜＋２％以内で所望の波長に設定できるよう
な組成であればよい。例えば、図５に示すように、GaAs
基板２２を使用してその上に緩和層２３を介してIn0.26
Ga0.74As層２４を成長し、そのIn0.26Ga0.74As層２４上
に第１例で示したＤＢＲミラー４，１６、クラッド層
５，９、バリア層６，８、歪量子井戸活性層７、電流狭
窄層１０等を形成してもよい。なお、緩和層２３はInx
Ga1-x Asから構成され、その組成比ｘは、GaAs基板２２
表面を基準として０から０．２６へと段階的又は線形的
にIn0.26Ga0.74As層の下面まで変化させる。このように
化合物半導体基板として多用されているGaAs基板は入手
が容易であって、GaAs基板を使用することは上記したＤ
ＢＲミラーを有する面発光半導体レーザの量産性に向
き、しかも価格的な面からも有利である。
【００３５】なお、図５において、図２、３と同じ符号
は同じ要素を示している。 （その他の実施例）上記した実施例では、基板材料とし
てInGaAsを適用しているが、その他の三元混晶半導体を
用いることにより、従来の基板の格子定数で制限された
枠を越えて量子井戸のバリアを深くする全ての材料を基
板として選択してもよい。
は同じ要素を示している。 （その他の実施例）上記した実施例では、基板材料とし
てInGaAsを適用しているが、その他の三元混晶半導体を
用いることにより、従来の基板の格子定数で制限された
枠を越えて量子井戸のバリアを深くする全ての材料を基
板として選択してもよい。
【００３６】上記した実施例では、量子井戸は圧縮歪み
となっているが、引張歪みとしてもよい。また、上記実
施例では、単一量子井戸層とクラッド層の間にバリア層
を設けているが、これを省略してもよい。さらに、上側
のＤＢＲミラー１６は、化合物半導体多層膜ではなく、
例えばSiO2とSiによる誘電体多層膜を形成していもよ
い。
となっているが、引張歪みとしてもよい。また、上記実
施例では、単一量子井戸層とクラッド層の間にバリア層
を設けているが、これを省略してもよい。さらに、上側
のＤＢＲミラー１６は、化合物半導体多層膜ではなく、
例えばSiO2とSiによる誘電体多層膜を形成していもよ
い。
【００３７】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、面発
光半導体レーザを形成するための下地として三元混晶層
を用いている。これによれば、活性層を構成する量子井
戸層とバリア層の材料の選択範囲が広くなり、活性層を
構成する井戸を深くすることができる。また、面発光半
導体レーザに設けられるＤＢＲミラーを構成する異種の
半導体層の屈折率差が大きくなるような材料を選択し、
これによりＤＢＲミラーの反射率を高くすることができ
る。
光半導体レーザを形成するための下地として三元混晶層
を用いている。これによれば、活性層を構成する量子井
戸層とバリア層の材料の選択範囲が広くなり、活性層を
構成する井戸を深くすることができる。また、面発光半
導体レーザに設けられるＤＢＲミラーを構成する異種の
半導体層の屈折率差が大きくなるような材料を選択し、
これによりＤＢＲミラーの反射率を高くすることができ
る。
【００３８】また、活性層の上に電流狭窄層を形成して
いるので、電流の注入効率が大きくなって低閾値電流を
達成できる。さらに、短周期超格子構造を採用している
ので、大きな歪みの量子井戸が実現され、下地となる半
導体層の材料の選択幅をさらに広げ、高反射率のＤＢＲ
ミラーを実現できる。
いるので、電流の注入効率が大きくなって低閾値電流を
達成できる。さらに、短周期超格子構造を採用している
ので、大きな歪みの量子井戸が実現され、下地となる半
導体層の材料の選択幅をさらに広げ、高反射率のＤＢＲ
ミラーを実現できる。
【００３９】三元混晶半導体層を、緩和層を介して基板
の上に形成しているので、その基板として入手が容易な
二元混晶基板を使用することにより、ＤＢＲミラーを有
する面発光半導体レーザの量産性に向き、しかも価格的
な面からも有利となる。
の上に形成しているので、その基板として入手が容易な
二元混晶基板を使用することにより、ＤＢＲミラーを有
する面発光半導体レーザの量産性に向き、しかも価格的
な面からも有利となる。
【図１】III-Ｖ族半導体の格子定数とエネルギーギャッ
プの関係を示す図である。
プの関係を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例の面発光半導体レーザの形
成工程を示す断面図（その１）である。
成工程を示す断面図（その１）である。
【図３】本発明の第１実施例の面発光半導体レーザの形
成工程を示す断面図（その２）である。
成工程を示す断面図（その２）である。
【図４】本発明の第２実施例の面発光半導体レーザを示
す断面図である。
す断面図である。
【図５】本発明の第３実施例の面発光半導体レーザを示
す断面図である。
す断面図である。
１ In0.26Ga0.74As基板 ２ ｎ型In0.26Al0.74As層 ３ ｎ型In0.274Ga0.726As0.972P0.028 層 ４、１６ ＤＢＲミラー ５ ｎ型クラッド層 ６ ノンドープバリア層 ７ 歪量子井戸活性層 ８ ノンドープバリア層 ９ ｐ型クラッド層 １０ 電流狭窄層 １１ レジストマスク １２ 開口部 １３ ｎ型クラッド層 １４ In0.26Al0.74As層 １５ In0.274Ga0.726As0.972P0.028 層 １９、２１ ｐ側電極 １７ ｎ側電極 ２０ 無反射コート膜 ２２ GaAs基板 ２３ 緩和層 ２４ In0.26Ga0.74As層
Claims (6)
- 【請求項１】三元混晶半導体層の上に形成され、該三元
混晶半導体層に格子整合する半導体多層膜よりなる第一
の分布反射ミラーと、 前記第一の分布反射ミラーの上に形成された第一のクラ
ッド層と、 前記第一のクラッド層の上方に形成された歪量子井戸構
造の活性層と、 前記活性層の上方に形成される第二のクラッド層と、 前記第二のクラッド層の上に形成された半導体多層膜又
は誘電体多層膜よりなる第二の分布反射ミラーとを有す
ることを特徴とする面発光半導体レーザ。 - 【請求項２】前記第二のクラッド層と第二の分布反射ミ
ラーの間には、前記活性層及び前記第二のクラッド層よ
りも禁制帯幅の大きな半導体材料よりなる電流狭窄層
と、該電流狭窄層の開口部の内部と該電流狭窄層の上に
形成された第三のクラッド層とが形成されていることを
特徴とする請求項１記載の面発光半導体レーザ。 - 【請求項３】前記活性層は、前記三元混晶半導体層と格
子定数が−２％〜＋２％ずれたInGaAsもしくはInGaAsP
又は材料の異なる単原子層を交互に複数層重ねた短周期
超格子のいずれかから構成されていることを特徴とする
請求項１記載の面発光半導体レーザ。 - 【請求項４】前記三元混晶半導体層は、GaAsとInAsの中
間の格子定数を有するInGaAsから構成されることを特徴
とする請求項１記載の面発光半導体レーザ。 - 【請求項５】前記InGaAsからなる前記三元混晶半導体層
は、GaAs基板の上に形成され、且つ厚さが増すにつれて
GaAsからInGaAsへと組成が変化する緩和層を介して該Ga
As基板の上に形成されていることを特徴とする請求項４
記載の面発光半導体レーザ。 - 【請求項６】少なくとも前記第一の分布反射ミラーは、
In0.274Ga0.726As0. 972P0.028 とIn0.26Al0.74Asを交互
に複数層形成した多層構造を有することを特徴とする請
求項１記載の面発光半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21155494A JPH0878773A (ja) | 1994-09-05 | 1994-09-05 | 面発光半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21155494A JPH0878773A (ja) | 1994-09-05 | 1994-09-05 | 面発光半導体レーザ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0878773A true JPH0878773A (ja) | 1996-03-22 |
Family
ID=16607739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21155494A Pending JPH0878773A (ja) | 1994-09-05 | 1994-09-05 | 面発光半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0878773A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10173294A (ja) * | 1996-10-07 | 1998-06-26 | Canon Inc | 窒素を含む化合物半導体多層膜ミラー及びそれを用いた面型発光デバイス |
| WO2001063708A3 (en) * | 2000-02-24 | 2002-02-07 | Bandwidth9 Inc | Vertical cavity apparatus with tunnel junction |
| JP2008244461A (ja) * | 2007-03-01 | 2008-10-09 | Canon Inc | 面発光レーザ、面発光レーザアレイおよびそれを用いた画像形成装置 |
| JP2019525485A (ja) * | 2016-08-08 | 2019-09-05 | フィニサー コーポレイション | エッチングされた平坦化ｖｃｓｅｌ |
-
1994
- 1994-09-05 JP JP21155494A patent/JPH0878773A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10173294A (ja) * | 1996-10-07 | 1998-06-26 | Canon Inc | 窒素を含む化合物半導体多層膜ミラー及びそれを用いた面型発光デバイス |
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